汽碎淺悶余熱回收法處理轉(zhuǎn)爐熔融鋼渣

雷震東 談 慶

1.前言

2009年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量已達(dá)到5.68億噸，鋼渣的年產(chǎn)生量約7000萬噸，約占鋼產(chǎn)量的12%。其中轉(zhuǎn)爐煉鋼約占總粗鋼產(chǎn)量的85%以上。目前我國(guó)鋼渣的利用率還比較低，大量鋼渣堆棄不僅浪費(fèi)資源而且污染環(huán)境。以1臺(tái)普通的60噸轉(zhuǎn)爐為例，年產(chǎn)鋼量100萬噸，年產(chǎn)渣量15萬噸。如果對(duì)其不加以利用而堆放處置，則按堆積密度1.5噸/m3計(jì)算，所需堆放空間為10萬m3/年。若平均堆放高度為10米，則每年需占用2個(gè)100米×50米的球場(chǎng)。所以，必須為鋼渣的利用找到一個(gè)長(zhǎng)期有效的出路，盡量做到循環(huán)利用。

2.轉(zhuǎn)爐渣特性及其潛在價(jià)值

轉(zhuǎn)爐渣主要是在煉鋼過程中，由于造渣材料（如石灰、石灰石、螢石、硅石、鐵礬土及火磚塊）的加入，以及鋼鐵材料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化所形成的。不同煉鋼方法采用不同的渣系進(jìn)行冶煉，形成不同成分的爐渣。剛出爐的轉(zhuǎn)爐渣溫度高達(dá)1600℃，為熔融渣，流動(dòng)性好，主要由CaO、SiO2、FeO、MgO、MnO等化合物組成，其中堿性氧化物濃度總和與酸性氧化物濃度總和之比稱之為熔渣堿度，一般在2-4。對(duì)于高溫熔融渣的處理，目前有各種不同的方式，最后形成的常溫終渣成分特性各異，品位相差極大。因此，對(duì)鋼渣的價(jià)值進(jìn)行分析，必須先從高溫熔融渣入手，由此尋找最佳處理方法。

以年產(chǎn)10萬噸鋼渣為例，轉(zhuǎn)爐高溫熔融渣可利用的資源價(jià)值分析見表1：

表1 轉(zhuǎn)爐高溫熔融渣可利用的資源價(jià)值分析

由此可見，熔融渣的廢鋼回收價(jià)值最大且技術(shù)最易實(shí)現(xiàn)；廢渣利用的價(jià)值因技術(shù)水平不同而呈現(xiàn)差異，有可能居第二位，也有可能價(jià)值最低；顯熱的利用價(jià)值比較穩(wěn)定，但技術(shù)相對(duì)來說比較復(fù)雜。

這樣，對(duì)于轉(zhuǎn)爐熔融渣的處理，其定位就比較明確了：首先回收廢鋼，其次盡可能回收顯熱及廢渣，對(duì)廢渣要盡可能提高其品位。

3.當(dāng)前處理技術(shù)

目前的大部分方法主要重點(diǎn)在于廢鋼回收和渣利用，此類技術(shù)已經(jīng)比較成熟；另一類技術(shù)側(cè)重于熔融渣的顯熱利用，此類技術(shù)多數(shù)處于研究階段。

3.1 熔融渣的廢鋼回收和渣利用方法

3.1.1 熱悶法

將液態(tài)的鋼渣運(yùn)至熱悶處理生產(chǎn)線，直接傾翻至熱悶裝置中，蓋上裝置蓋，自動(dòng)化控制噴水產(chǎn)生蒸汽對(duì)鋼渣進(jìn)行消解處理，8～12小時(shí)后裝置內(nèi)溫度降至60℃，打開裝置蓋，用挖掘機(jī)將鋼渣鏟出放入振動(dòng)給料篩，＜200mm的鋼渣輸送至篩分、磁選、提純加工生產(chǎn)線。

3.1.2 風(fēng)碎法

用高速氣流在空中將落下的高溫液態(tài)鋼渣流股迅速擊碎為細(xì)小液滴，并隨氣流定向飛行，在飛行過程中迅速冷卻為半固態(tài)渣粒，直徑2mm左右，然后分散落入水中，迅速冷卻至常溫。

3.1.3 其它方法

主要有渣山冷棄法、淺盤熱潑水淬法、渣箱熱潑法、滾筒法等。

3.2 熔融渣的顯熱利用方法

分為熔融渣物理熱回收技術(shù)和熔融渣化學(xué)熱回收技術(shù)。

熔融渣物理熱回收技術(shù)主要有風(fēng)碎?；酂徨仩t熱能回收法、風(fēng)碎粒化振動(dòng)流化床熱能回收法、連鑄式余熱鍋爐熱能回收法、雙內(nèi)冷轉(zhuǎn)筒?；療崮芑厥辗?、轉(zhuǎn)杯粒化氣流化床熱能回收法、液態(tài)錫做熱載體的熱能回收方法、滾筒鋼渣?；盁崮芑厥辗?。

熔融渣化學(xué)熱回收技術(shù)主要有生產(chǎn)礦棉、鋼渣熱態(tài)成型生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品、利用爐渣顯熱制氫技術(shù)、利用爐渣顯熱制煤氣技術(shù)等。

4.鋼渣處理技術(shù)的最終理想解及當(dāng)前技術(shù)發(fā)展成熟度

對(duì)于鋼渣處理，最完美的方案應(yīng)該是：鋼渣所含全部資源（廢鋼、顯熱、終渣）能夠100%回收利用，并對(duì)環(huán)境不造成二次污染。作為實(shí)際方案，還可以加上經(jīng)濟(jì)成本最低這一條。

綜合分析目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)，還沒有一種技術(shù)能同時(shí)回收高溫熔融渣的顯熱、廢鋼并提高廢渣附加值。而隨著節(jié)能環(huán)保的大趨勢(shì)日漸到來，目前正是研發(fā)這一代新技術(shù)的大好時(shí)機(jī)。

從回收廢鋼的角度來說，熱悶法也許是最合適的，最多可回收廢鋼10%，回收率90%以上；從有效回收熔融渣顯熱的角度來說，?；夹g(shù)最便于回收高品位余熱；從提高廢渣附加值的角度來說，熱悶法和風(fēng)碎法都比較合適，其廢渣產(chǎn)品穩(wěn)定性和活性較好，可作水泥原料使用，粒徑等物理化學(xué)成分可控。

5.汽碎淺悶余熱回收法原理

針對(duì)目前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，本文提出汽碎淺悶余熱回收法來回收轉(zhuǎn)爐熔融渣所含全部資源。它是在結(jié)合傳統(tǒng)風(fēng)碎原理和傳統(tǒng)熱悶原理的基礎(chǔ)上，采用高壓蒸汽代替壓縮空氣，用淺悶池代替深悶池，并整合熱管余熱回收系統(tǒng)，從而達(dá)到全部回收廢鋼、顯熱、廢渣的目的。

汽碎淺悶余熱回收的原理主要包括熔渣冷卻原理、渣鐵分層原理、汽碎原理、淺悶原理及熱管原理。

（1）熔渣冷卻原理：關(guān)于高溫液態(tài)渣從1600℃冷卻到100℃以下室溫的過程，根據(jù)所選擇的冷卻工藝的不同，最后的終渣成分也十分不同。因此，為了獲得高品位的可供水泥行業(yè)使用的終渣，必須對(duì)熔渣的冷卻過程實(shí)行嚴(yán)格控制，這樣就必須對(duì)冷卻過程中所發(fā)生的內(nèi)涵有所了解?；旧希诓煌瑴囟榷?，有如下關(guān)鍵反應(yīng)：

1600℃—液態(tài)渣 爐內(nèi)高溫形成穩(wěn)定熔融渣

1200℃—半液態(tài)渣 C3S分解成C2S

800 ℃-700 ℃ —固態(tài)渣 β-C2S分解

500 ℃以下—固態(tài)渣 活性穩(wěn)定，但安定性未定

采用淬冷方式，數(shù)秒鐘之內(nèi)渣溫度從1600℃降到600℃，快速通過了兩個(gè)不穩(wěn)定溫度區(qū)，使分解反應(yīng)較少發(fā)生，因此渣成分基本上保持爐內(nèi)高溫渣成分（95%），活性成分得以保留。

（2）渣鐵分層原理：關(guān)于渣和鐵在液態(tài)下的存在狀態(tài)，有兩種不同的看法。傳統(tǒng)的看法，認(rèn)為液態(tài)渣鐵由于比重、粘度等物理特性的不同，在包內(nèi)存在一個(gè)分層接觸的界面。另一種看法認(rèn)為，實(shí)際上這一明顯界面并不存在，而是液態(tài)渣鐵相互混溶與共存。本文認(rèn)為，實(shí)際情況應(yīng)為拆衷情況：在倒渣初期，應(yīng)是混溶狀態(tài)；通過攪拌、靜置一段時(shí)間后，應(yīng)會(huì)分層，鐵沉于底部。由于鐵渣的重量比一般在10%左右，而鐵的密度比渣的密度大2-3倍，所以鐵的體積一般只占總?cè)墼w積的3%-5%，也即很薄的一層。渣鐵是否分層對(duì)于后續(xù)各工序都有影響，甚至與是否加磁選設(shè)備和能否渣鐵預(yù)分離都有重要關(guān)系。

（3）汽碎的原理比較簡(jiǎn)單，也是利用高壓蒸汽在空中將落下的高溫液態(tài)鋼渣流股迅速擊碎為細(xì)小液滴，液滴落下至篩板并與氣流介質(zhì)換熱以回收顯熱，該過程中渣溫被冷卻至400℃左右。

汽碎有4個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：1）高溫液態(tài)鐵極易氧化，采用蒸汽淬冷可減少氧化從而多回收廢鋼；2）同等條件下，蒸汽對(duì)渣粒的沖擊力優(yōu)于空氣和氮?dú)猓?）蒸汽的實(shí)質(zhì)是H2O，處理過程可參與改善廢渣成分；4）蒸汽便于自產(chǎn)自用。

（4）淺悶的原理類似于傳統(tǒng)的熱悶渣工藝，也是利用水或帶壓蒸汽的作用穩(wěn)定化處理渣成分，但是將悶渣時(shí)間大大縮短，即淺悶。傳統(tǒng)的熱悶渣約需十幾個(gè)小時(shí)，而淺悶的時(shí)間盡量控制在一小時(shí)以內(nèi)，以減小占地和投資。淺悶的原因如下：

采用蒸汽淬冷方法，可使液態(tài)渣瞬間?；⒊煞只痉€(wěn)定。淬冷過后的渣粒徑約φ2mm左右，已經(jīng)達(dá)到普通熱悶的粉化效果；

蒸汽淬冷過后，主要活性物質(zhì)C2S和C3S含量高，活性好；f-CaO含量在1%上下，渣穩(wěn)定性好。風(fēng)碎或汽碎鋼渣的活性成分要優(yōu)于熱悶渣，而要加強(qiáng)穩(wěn)定性，只需淺悶即可。

汽碎過后渣溫仍有400℃左右，從安全和余熱角度，需再降到常溫，因此需再悶，目的之一是換熱，因此淺悶即可。

（5）熱管原理：熱管是一種利用工質(zhì)的相變來實(shí)現(xiàn)高效傳熱的元件。在余熱回收?qǐng)龊?，由于余熱煙氣的溫度、含塵、間歇與波動(dòng)等復(fù)雜性，使得換熱器的安全和壽命提到很重要的位置。熱管正適合這類場(chǎng)合的應(yīng)用。

6.汽碎淺悶余熱回收工藝流程

實(shí)際的系統(tǒng)可能在渣傳送及淺悶池等部分因工藝不同而有所不同，但整個(gè)汽碎淺悶余熱回收法的流程基本上由以下幾大系統(tǒng)構(gòu)成：

（1）進(jìn)料系統(tǒng)：主要包括渣罐、流槽等；

（2）處理塔：

汽碎?；到y(tǒng)：主要包括蒸汽噴嘴等；

預(yù)分布室

送料系統(tǒng)：主要包括篩板、振動(dòng)器等；

擋板

塔體

（3）淺悶池

（4）熱管換熱系統(tǒng)：包括軟化水箱、給水泵、除氧器、汽包、蒸汽蓄熱器、熱管束等；

（5）磁選系統(tǒng)

（6）除塵器及煙道系統(tǒng)

7.技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

從資源價(jià)值分析可知，鋼渣中廢鋼的價(jià)值最大，因此鋼渣中廢鋼的實(shí)際比例關(guān)系重大。從文獻(xiàn)資料報(bào)道來看，鋼渣中廢鋼的比例可達(dá)10%，但實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，普遍只有7%左右。這其中有5%較易形成大塊鐵，容易回收；另2%混雜在廢渣中，大部分必須磁選才能選出，剩余約0.5%左右存在于尾渣中無法簡(jiǎn)單回收。因此，作為一個(gè)有代表性的經(jīng)濟(jì)分析，我們?nèi)?.5%的廢鋼回收率比較符合普遍情況。

關(guān)于廢渣的品位，熱悶渣雖然穩(wěn)定性好，但活性較差，必須再粉磨成鋼渣微粉激發(fā)活性才有利用價(jià)值。風(fēng)碎渣穩(wěn)定性也可，最重要是活性成分保留最多，而且粒度均勻細(xì)小。雖然實(shí)踐證明，無論哪兩種渣，都不適合直接用于水泥行業(yè)，但是，風(fēng)碎渣的品位要高于熱悶渣這一點(diǎn)，是可以得到證實(shí)的。

汽碎法比風(fēng)碎法，F(xiàn)e的氧化少。汽碎淺悶的終渣由于綜合汽碎與熱悶的優(yōu)點(diǎn)，比風(fēng)碎渣又要好些。幾類方法回收廢鋼與廢渣的情況比較見表2。

可見，汽碎淺悶法對(duì)于回收廢鋼和廢渣利用來說，是最優(yōu)的方案。

以某企業(yè)2×60噸轉(zhuǎn)爐，年產(chǎn)30萬噸渣為例，其總體經(jīng)濟(jì)效益分析如下：

（1）經(jīng)濟(jì)效益

回收廢鋼：30萬噸/年×6.5%×2500元/噸=4875萬元/年

廢渣利用：30萬噸/年×93.5%×50元/噸=1403萬元/年

表2 不同方法回收廢鋼與廢渣的情況比較 元/噸

回收蒸汽：9噸/小時(shí)×7000小時(shí)×0.01萬元/噸=630萬元/年

合計(jì)回收收益：4875+1403+630=6908萬元/年

（2）運(yùn)行費(fèi)用

其運(yùn)行費(fèi)用為：

電耗：200千瓦×7000小時(shí)/年×0.5元/Kwh/10000=70萬元/年

人工：9人×3萬元/人年=27萬元/年

其它：10萬元/年

合計(jì)運(yùn)行費(fèi)用：107萬元/年

（3）年凈收益：

年凈收益：6908-107=6801萬元/年

由此可見，轉(zhuǎn)爐鋼渣所蘊(yùn)含的價(jià)值相當(dāng)可觀，只要利用得當(dāng)，完全可以為鋼鐵企業(yè)帶來多重效益。

8.結(jié)束語

我國(guó)目前鋼渣利用率還較低（2009年只有22%左右），未來幾年我國(guó)的鋼渣處理可能以提高鋼渣利用率為主，重點(diǎn)解決好廢鋼渣的出路問題。鋼渣要做到“零排放”，其銷售出路必須要有一個(gè)廣闊、長(zhǎng)期、穩(wěn)定的市場(chǎng)來接納，這只有水泥行業(yè)符合條件。從這兩點(diǎn)來說，鋼渣熱悶先求成分穩(wěn)定化保證安全，再配套鋼渣微粉工藝以便水泥應(yīng)用，追求高附加價(jià)值，最適合我國(guó)目前的國(guó)情。

但是，從長(zhǎng)期的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來看，汽碎淺悶余熱回收法有著更強(qiáng)的生命力，更接近鋼渣利用的完美目標(biāo)。

其一，采用汽碎可以方便回收液態(tài)渣余熱，余熱效益甚至可與廢渣利用相提并論。鋼渣的余熱利用，乃大勢(shì)所趨。

其二，汽碎過程中，液態(tài)渣的活性成份更多地得以保留，并且初步得到穩(wěn)定，有利于后續(xù)的廢渣升值利用。

其三，汽碎粒化過程，使渣顆粒直徑達(dá)到2mm左右。這對(duì)于后續(xù)的粉磨環(huán)節(jié)，可節(jié)省大量能耗。

其四，汽碎過程耗時(shí)短，每噸渣只需3-5分鐘即同時(shí)完成余熱回收、?；?、成分穩(wěn)定等環(huán)節(jié)。尤其是粒化和成分穩(wěn)定的耗時(shí)短，相比熱悶工藝，占地更少，投資更省，更節(jié)能。

其五，汽碎過程中，1600℃的液態(tài)渣瞬間冷卻到600℃以下，整個(gè)冷卻過程在密閉塔內(nèi)進(jìn)行，并且不與水直接接觸，無爆炸危險(xiǎn)，安全性優(yōu)于熱悶工藝。

鑒于轉(zhuǎn)爐鋼渣流動(dòng)性渣約70%，固態(tài)渣（含護(hù)爐渣、爐底渣）約30%的基本現(xiàn)狀，對(duì)鋼渣采用汽碎淺悶處理流動(dòng)渣+常規(guī)熱悶工藝處理固態(tài)渣，可根本改變目前渣處理車間環(huán)境臟亂差和場(chǎng)地?fù)頂D不堪的老大難局面。

（略）